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Nikkei X-TECH_2023.1.4

초전도 양자컴퓨터, 일본의 도전
일본도 추격하고 있는 초전도 양자컴퓨터
이것이 하드웨어의 전체상

2023년은 일본에게 양자컴퓨터 원년의 해가 될 것이다. 국산 하드웨어 실제 제품이 처음으로 가동되기 때문이다. 양자컴퓨터 개발은 미국의 IBM이나 구글 등이 선도하고 있지만, 일본도 추격을 도모하고 있다.

양자컴퓨터 구성 부품에는 일본 중소기업들의 제품이 많이 사용되고 있다는 점도 간과할 수 없다. 본 특집은 현재 가장 개발이 진전되고 있는 초전도 방식에 초점을 맞춰 양자시대 도래의 열쇠를 쥔 기술을 소개한다.

양자역학의 원리를 이용해 기존 방식의 컴퓨터로는 풀기 어려는 문제도 고속으로 해결할 수 있을 것으로 기대되고 있는 양자컴퓨터. 2023년 3월말을 목표로 이화학연구소는 첫 국산 게이트형 양자컴퓨터의 테스트베드를 가동할 예정이다.

양자컴퓨터는 계산소자인 큐비트의 실현 방법으로 분류되며, '광 방식', '반도체 방식', '이온트랩 방식' 등 다양한 방식으로 연구개발이 추진되고 있다. 이화학연구소가 가동 예정인 테스트베드는 '초전도 방식'이다.

초전도 방식은 IBM이나 구글 등도 실제 제품을 공개하고 있어 실용화를 위한 연구에서 이용하는 유저들도 많다. 아직 실용적인 성능을 가지고 있지는 않지만, 현재 가장 제품 개발이 진전되고 있는 방식이다.

무엇보다 초전도 양자컴퓨터는 컴퓨터라는 이름이 붙지만, PC나 서버, 스마트폰 등, 우리가 흔히 아는 기존 방식의 컴퓨터와는 구조가 크게 다르다.

-- 초전도 양자컴퓨터의 구조 --
양자컴퓨터의 심장부는 '0'과 '1'의 정보를 중첩된 형태로 유지할 수 있는 '큐비트'와 큐비트에 대해 마이크로파를 조사하거나 판독 등을 하는 '양자컴퓨터 제어장치'이다.

초전도 방식 큐비트는 주파수가 수 기가헤르츠인 마이크로파를 조사하면 '양자 중첩'이 발생하거나, 다른 큐비트 간에 '양자 얽힘'이 발생하기도 한다. 이러한 양자 현상을 일으키기 위해 이용하는 마이크로파를 여기에서는 ‘큐비트 제어용 신호’라고 부른다.

연산 결과는 큐비트에 다른 마이크로파를 조사(照射)함으로써 읽어낸다. 이 마이크로파를 여기서에서는 ‘판독용 신호’라고 부른다. 제어용 신호의 배선은 큐비트 별로 필요하다.

초전도 방식 양자컴퓨터의 어려움은 큐비트가 매우 민감해 미세한 노이즈가 들어가는 것만으로도 의미 있는 계산 결과를 얻을 수 없게 된다는 점이다. 큐비트는 절대 영도에 가까운 온도 환경에서 조작할 필요가 있으며, 신호 교환 속에서 노이즈를 줄이기 위한 방법이 여러 부분에서 요구된다.

초전도 방식의 양자 컴퓨터 구조를 보다 자세히 살펴보자.
유저는 기존 방식의 컴퓨터를 사용하여 양자컴퓨터를 조작한다. 유저의 지시는 제어장치가 받게 된다. 제어장치는 제어용 신호와 판독용 신호를 큐비트에 송출하고, 연산 결과를 유저가 사용하는 기존 방식의 컴퓨터로 돌려 보낸다.

현재는 제어장치의 심장부에 전용 시스템인 LSI가 아닌 전자회로를 자유롭게 프로그래밍할 수 있는 반도체 칩 FPGA를 사용하고 있다.

큐비트의 제어와 계산 결과 판독을 위한 신호는 제어장치 내의 DA(디지털 아날로그) 컨버터를 통해 아날로그 마이크로파로 변환된다. 마이크로파는 업컨버터로 주파수를 상승시키고 필터 등을 이용해 큐비트 제어 및 판독에 맞춰 신호를 조정한다. 여기까지가 입력 시 제어장치의 업무이다.

신호를 큐비트가 존재하는 희석 냉동기 내부, 즉 절대 영도에 가까운 10밀리켈빈(mK) 정도의 극저온 환경으로 보내는 과정에서는 감쇠기로 진폭을 줄인다. 감쇠기를 이용하는 것은 큐비트에 가해지는 열 잡음을 극한까지 억제하기 위해서이다.

초전도 양자칩 상의 계산 결과를 얻기 위해서는 큐비트의 판독 신호를 약 10mK의 환경에 설치한 조셉슨 매개증폭기(Josephson paramertric amplifier, JPA)로 증폭한다. JPA는 공진 회로에서 코일이나 콘덴서 등의 회로 파라미터를 공진 주파수의 2배 주파수로 변조했을 때 일어나는 ‘파라메트릭 증폭’이라는 현상을 이용해 고감도 및 저잡음으로 신호를 증폭할 수 있다.

JPA의 신호는 약 4켈빈(K)의 온도대에 설치하는 HEMT(High Electron Mobility Transistor, 고전자 이동도 트랜지스터) 앰프로 증폭해 실온 환경에 있는 제어장치로 보낸다. 제어장치에서는 저잡음 앰프로 한층 더 신호를 증폭하고 다운컨버터로 주파수를 변환한 후, AD 컨버터를 이용해 디지털 신호로 변환. FPGA를 통해 계산 결과를 기존 방식의 컴퓨터로 보낸다.

-- 끝 --

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